牡丹江大桥加固设计

王兆铭

（同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海市200092）

0 引言

20世纪50年代，随着“预应力学说”理论体系的完善，预应力混凝土桥梁得到了飞速的发展[1]。预应力T梁具有工厂模具化预制生产、现场架设拼装的特点，得到了广泛的应用，始建于1982年的牡丹江大桥是其中的典型代表之一。

在我国桥梁建设取得重大成就的同时，由于设计标准提高、车辆超载等原因，部分已建桥梁存在着不同程度的安全隐患和病害，需要有针对性地进行加固处理[4]。经过三十多年的运营，牡丹江大桥已经不能适应城市建设发展的需求，大桥的拓宽改造已经显得尤为必要。在对牡丹江大桥改造利用的同时，需要对原结构体系进行加固设计，以确保改造后的大桥能适应新的承载能力需求。

1 总体介绍说明

1.1 工程背景

牡丹江大桥始建于1982年5月，于1984年9月建成通车（见图1）。该桥为一座偏南北走向的13跨预应力混凝土简支T梁桥，桥梁法线与河道中心线正交，桥梁全长541.51 m，跨径组合为13×40.0 m。

图1 牡丹江大桥改造前之实景

全桥桥面总宽为20.8 m，桥宽布置为：0.4 m栏杆基座+2.5 m人行道+15 m车行道+2.5 m人行道+0.4 m栏杆基座。桥面铺装采用厚0.04～0.08 m混凝土垫层+0.01 m防水层+0.04 m混凝土保护层+0.05 m沥青混凝土层，墩台处均设型钢伸缩装置，两侧人行道外侧采用高为1.1 m的钢筋混凝土+钢管栅式栏杆（见图2）。

图2 老桥支点处断面图（单位：m）

该桥每跨上部结构均由8榀预应力混凝土T梁组成，梁高均为2.4 m。梁间中心距为2.4 m，相邻T梁间采用0.6 m宽的现浇湿接带。每跨主梁间均设7道横隔梁，相邻两横隔梁间中心距为6.48 m。主梁采用450号混凝土，接近于新规范C43混凝土的材料力学性能。

牡丹江老桥设计荷载等级为汽车-20级、挂车-100，人群荷载为3.5 kN/m2，两端桥头设20t限载标志牌。

牡丹江大桥是连接江南、江北的交通要道，目前交通十分拥堵，为缓解老桥的交通压力，对该桥进行拓宽改造。拓宽改造时，将旧桥两侧人行道拆除，改建后旧桥桥面宽度为20 m，拓宽新建桥梁宽度为21.48 m，新旧桥上部结构之间设置2 cm宽的沉降缝。拓宽新建桥梁的结构设计安全等级为Ⅰ级，设计荷载为城-A级。改造后桥宽布置为（从旧桥侧向新桥侧）：0.59 m栏杆基座+2.31 m人行道+3.0 m非机动车道+0.35 m防撞护栏+14.0 m机动车道+0.5 m防撞护栏+14.0 m机动车道+0.35 m防撞护栏+3.5 m非机动车道+2.31 m人行道+0.59 m栏杆基座=41.5 m（见图3）。由于老桥需改造为单向坡度桥梁，为了控制上部结构铺装荷载，老桥改造后采用0.65%的单向横坡，老桥桥面采用厚0.08～0.19 m钢筋混凝土层+0.1 m沥青混凝土。

图3 改造后新老桥支点断面图（单位：m）

1.2 老桥主要病害

老桥桥面系铺装层有坑槽、纵横向裂缝及网裂；伸缩缝堵塞、止水带均老化、开裂；人行道路缘石和栏杆基座混凝土破损、露骨严重，饰面砂浆剥落、破损，存在纵横向收缩裂缝。

上部结构预应力混凝土T梁部分有泛白、泛碱现象，部分混凝土破损、露筋锈蚀。

老桥部分支座钢盆锈蚀。下部结构部分墩台渗水泛白，部分盖梁混凝土起壳、剥落，钢筋外露锈蚀，破冰铁板锈蚀。

经检测，老桥技术状况总体评定为B级桥（良好状态）。

1.3 加固设计主要原则

原大桥设计荷载等级为汽车-20级、挂车-100，人群荷载为3.5 kN/m2，荷载等级较低。通过梁格计算模型计算分析，原设计安全储备较小，通过体外预应力钢束等加固手段无法将结构提高到新规范城-A的标准。综合该桥加固方案研讨会专家组的意见，以及考虑运营管养方便，按现行规范对老桥加固进行验算。其主要构件安全度应尽量满足城-B荷载的要求。

1.4 主要的加固方法[2-3]

目前主流的加固方法主要有以下几种：（1）增大截面加固法；（2）粘贴钢板加固法；（3）粘贴纤维复合材料加固法；（4）体外预应力加固法；（5）改变结构体系加固法。

体外预应力加固法是在梁体的外部（或箱内）布置预应力钢束，通过张拉体外预应力产生反弯矩抵消部分外荷载产生的内力，达到改善梁体承载能力的目的。该方法是目前主流的加固方法之一，特别适用于大跨径预应力混凝土连续梁和简支T梁的加固。

1.5 Midas有限元模型

大桥空间梁格有限元模型如图4所示，全桥共8片T梁，T梁编号如下：1#（新老桥中央隔离墩侧）～8#（老桥人行道侧）（T梁编号详见图 3）。各片T梁除了按真实横隔板进行横向联系外，同时考虑桥面板、湿接缝的横向联系，在全桥范围内增设横向虚拟联系梁，模型按真实支座刚度模拟边界条件。

图4 全桥空间midas有限元分析模型

2 牡丹江大桥加固方案[4]

2.1 加固方案综述

根据老桥检测结果及大桥拓宽改造需求，老桥加固维修措施分述如下。

2.1.1 桥面系

凿除全桥桥面铺装、两侧栏杆和人行道，重新铺筑桥面铺装，横坡设为单向坡，坡度为0.65%。改造后的旧桥桥面采用厚0.08～0.19 m钢筋混凝土层+0.1 m沥青混凝土。为保证桥面铺装与T梁工作的整体性，在T梁腹板和横隔梁上种植结合面钢筋，纵横交错布置。新旧桥在纵向接缝处设置纵向伸缩缝，且在相接的旧桥翼板底面增设不锈钢板滴水槽。

在桥梁西侧现浇人行道，并新设花岗岩栏杆，重新对人行道砖面进行铺砌。

2.1.2 主梁体外预应力钢束加固

对每跨 1#、5#、6#、7#、8#T 梁（全桥共计 65片T梁）进行体外预应力加固，每片T梁张拉2束3-s15.2预应力钢绞线，其控制应力为1 209 MPa。

2.1.3 耐久性修补

对全桥两侧边梁与中梁间翼缘、T梁腹板和湿接带、人行道下方悬臂板底面泛白、泛碱处，刷洗干净后，涂刷两遍水泥基渗透结晶型浆料进行耐久性防护。

对全桥局部钢筋锈胀、混凝土破损处，先凿除锈胀和破损处疏松的混凝土，对钢筋彻底除锈并清理干净后，采用聚合物修补砂浆予以修复。

2.2 桥面系铺装层改造加固

综合大桥拓宽改造需求，老桥桥面铺装需凿除改造为单向横坡桥梁；综合考虑上部T梁结构受力，改造后的坡度为0.65%。改造后旧桥桥面采用厚0.08～0.19 m钢筋混凝土层+0.1 m沥青混凝土。由于改造后钢筋混凝土调平层厚度较厚，该方案设计时，考虑通过植筋手段增强铺装层与T梁连接的可靠性，使得部分混凝土调平层的刚度可以参与上部结构整体受力（见图5）。调平层对结构受力的贡献，该设计作为安全储备，结构计算不予考虑。

图5 通过植筋加强铺装层与T梁的联系之示意图及其实景

2.3 T梁体外预应力加固设计

通过计算分析得知，只有部分T梁需要进行体外预应力加固。同时为了避免体外预应力反弯效应造成的结构顶缘开裂，该设计考虑在施工桥面铺装层后再张拉体外预应力钢束。

经过计算，对每跨 1#、5#、6#、7#、8#T 梁进行体外预应力加固（每片T梁张拉2束3-φs15.2预应力钢绞线），对每跨2#、3#、4#T梁进行耐久性修补（见图 6～图 8）。

图6 T梁体外预应力钢束布置图（单位：mm）

图7 中梁体外预应力钢束转向装置设计图（单位：mm）

图8 体外预应力钢束锚固构造设计图（单位：mm）

体外预应力钢束基本沿T梁下缘直线布设，在距离分跨线约7 m位置的横梁处设置预应力转向块（见图9）。预应力转向角度以适合预应力锚固空间需求即可，尽可能减小转向角度，避免过大转向角度对结构造成的不利影响。体外预应力在距离梁段1.7m位置处进行锚固，通过抗剪螺栓和钢板来确保预应力钢束的锚固性能。预应力钢束张拉控制应力为1 209 MPa，单根钢绞线的张拉控制力为168.05 kN。

图9 张拉体外预应力钢束之实景

2.4 老桥加固后结构受力性能

老桥已经运营三十多年，结合老桥的检测结果，该设计通过midas空间梁格计算模型，按实际施工顺序进行了精细化计算分析，模拟了结构各阶段的受力状态，主要技术指标如表1所列。

从计算结果可以看出，老桥加固后主要的技术指标均可以满足新规范城-B的要求[5]。结构主拉应力、主压应力、结构抗力等计算结果也满足新规范城-B的要求，限于篇幅，计算结果不再一一罗列。

牡丹江大桥经过改造加固，于2016年8月15建成通车（见图10）。

表1 加固后老桥主要应力指标表 MPa

图10 牡丹江大桥改造后之实景

3 结语

随着荷载等级的提高、城市建设的迅猛发展，加上桥梁本身运营多年出现的病害，桥梁结构安全受到了严重威胁。本文以牡丹江大桥为载体，介绍了其在改造拓宽过程中的加固方法。其中，部分设计思路可供类似工程借鉴：

（1）对于较厚的混凝土铺装调平层，可以通过植筋等手段将老桥T梁与新铺装有机结合，从而增加结构刚度，增强结构安全储备，提高结构强健性。

（2）对T梁进行体外预应力加固方案研究时，宜通过空间精细化计算分析，研究和发现不同部位对增设体外束的敏感性和必要性，应对不同部位采取不同的加固方法。